JP5376323B2

JP5376323B2 - コントローラ

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Publication number: JP5376323B2
Application number: JP2009289657A
Authority: JP
Inventors: 茂樹遠山; 真彦保科
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: JP2011129064A

Description

本発明は、医療用の手術ロボットやゲーム機等の操作対象物を２自由度以上の自由度で操作するコントローラに関する。

近年、細胞生物学、微細加工、マイクロサージャリー（微細手術）を中心として、ロボットを用いたマイクロマニピュレーション技術の重要性が高まっている。そして、この操作対象物であるロボットを２自由度以上の自由度で操作するためのコントローラとしては、例えば、特許文献１に記載されているような技術が記載されている。

この特許文献１では、略球状の回転子と、この回転子を転動可能に保持すると共に超音波振動を発生させる超音波モータと、回転子に取り付けられ、回転子を転動させる操作アームとを備えている。そして、超音波モータの超音波振動によって回転子を転動させて、操作者に振動を伝達させる技術が記載されている。

特開２００７−２１９５８７号公報

特にマイクロサージャリー分野では、微細な操作を行うために、操作対象物であるスレーブ側のロボットアームの先端にかかる微細な力を高速に操作者に伝達することが求められている。しかしながら、特許文献１に開示される技術では、超音波振動を効率良く回転子に伝達するために、回転子に超音波モータを加圧接触させている。

そのため、回転子と超音波モータとの摩擦力が大きいものとなっていた。その結果、この摩擦力の影響によって、操作対象物から帰還された力に対向する力を操作アームに加えても、その力が直ちに反映されないだけでなく、微細な力が操作対象物に作用しても操作者に正確に伝達することができない、という問題を有していた。

更に、特許文献１に記載された技術では、超音波モータによって回転子に力を加えることができるが、操作側の回転子及び操作アームに加わる力を検出しておらず、その力を操作対象物の操作に反映していなかった。その結果、操作対象物に対して微細な力加減による操作を行うことができず、操作性が悪い、という問題もあった。

本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、操作対象物に加わる力を正確に操作者に伝達させて操作性の向上を図ることができるコントローラを提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のコントローラは、操作対象物を少なくとも２自由度で操作するコントローラであって、略球状の回転子と、回転子を転動可能に支持すると共に、超音波振動を発生させて回転子を転動させる複数の駆動力発生部と、を備えている。更に、回転子に取り付けられ、回転子を転動させる操作アームと、操作アームの位置情報を検出する位置検出部と、操作アームに取り付けられ操作アームから回転子に加えられる力を検出するマスタ側力センサと、を備えている。そして、操作対象物に作用する外力とマスタ側力センサによって検出した操作アームの力情報に基づいて複数の駆動力発生部を制御する制御部を備えている。

本発明のコントローラによれば、超音波振動を発生する複数の駆動力発生部によって操作対象物に作用する力を操作者にフィードバックすることができる。また、操作アームから回転子に加わる力をマスタ側力センサで検出し、その検出した力と操作対象物に作用する力に基づいて複数の駆動力発生部を駆動している。その結果、操作対象物に加わる力だけでなく、操作側に加わる力も操作対象物の操作に反映させることができ、操作性の向上を図ることができる。

更に、マスタ側力センサによって、回転子と駆動力発生部との間に生じる摩擦力、すなわち回転子に加わる力を検出することができる。そのため、操作アームが動く方向に回転子にトルクを与えることで、摩擦力を打ち消すことができる、これにより、操作アームをスムースに操作できるだけでなく、操作対象物に作用する微細な力を操作者に対して正確に伝達することが可能である。また、略球状の回転子を転動させて操作するため、どの方向に対しても同様に操作することができ、すなわち異方性が無く快適な操作対象物の操作ができる。

本発明のコントローラの実施の形態例を示す斜視図である。本発明のコントローラの実施の形態例を示す分解斜視図である。本発明のコントローラで操作される操作対象物の一例を示す斜視図である。本発明のコントローラに係る駆動力発生部を示すもので、図４Ａは正面図、図４Ｂは断面図である。本発明のコントローラに係る回転子に対する駆動力発生部の位置関係を示す説明図である。本発明のコントローラの概略構成を示すブロック図である。本発明のコントローラに係る回転子に作用する角速度ベクトルの例を示す説明図である。

以下、本発明のコントローラの実施の形態例について、図１〜図７を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、説明は以下の順序で行うが、本発明は、必ずしも以下の形態に限定されるものではない。
１．コントローラの構成例
２．コントローラを用いた操作例

１．コントローラの構成例
まず、図１〜図６を参照して本発明のコントローラの実施の形態例（以下、「本例」という。）について説明する。
図１は、本例のコントローラを示す斜視図、図２は、コントローラの分解斜視図である。

図１に示す本例のコントローラ１は、操作対象物の一例を示すスレーブ側ロボット１００（図３参照）に対して３自由度で操作するもので、いわゆるマスタ・スレーブシステムにおけるマスタ側の入力装置である。

［スレーブ側ロボット］
ここで、本例のコントローラ１によって操作されるスレーブ側ロボット１００について図３を参照して説明する。
図３は、スレーブ側ロボット１００を模式的に示す斜視図である。

図３に示すスレーブ側ロボット１００は、スレーブ側操作アーム１０１と、スレーブ側操作アーム１０１の先端に設けられた作業アーム１０２と、作業アーム１０２を移動させる３つの駆動部１０３，１０３，１０３とを有している。

そして、このスレーブ側ロボット１００の作業アーム１０２は、３つの駆動部１０３によって、第１の方向Ｘと、第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙに移動可能とし、且つ第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに直交する第３の方向Ｚの軸回りに回転可能としている。よって、このスレーブ側ロボット１００は、３自由度を有している。また、スレーブ側ロボット１００には、スレーブ側操作アーム１０１や作業アーム１０２に加わる力を検出するスレーブ側力センサ１０４が設けられている。

［コントローラ］
図１に戻って説明すると、コントローラ１は、台座２と、３つの駆動力発生部３Ａ，３Ｂ，３Ｃと、回転子４と、操作アーム５と、位置検出部６と、マスタ側力センサ７と、制御部８（図６参照）とから構成されている。

図２に示すように、回転子４は、曲面部を有する略球状に形成されている。この回転子４には、その中心にまで達する略円柱状の凹部４ａが形成されている。この凹部４ａには、マスタ側力センサ７が配置されている。よって、マスタ側力センサ７は、回転子４の略中心に配置されることになる。また、凹部４ａは、回転子４の中心に行くに従ってその直径が小さくなっている。これにより、凹部４ａの内壁によってマスタ側力センサ７が挟持され、マスタ側力センサ７が凹部４ａから抜け落ちることを防止することができる。

操作アーム５は、略棒状に形成されている。この操作アーム５には、操作者が把持する把持部５ａが設けられている。そして、操作アーム５における把持部５ａの反対側の端部には、マスタ側力センサ７が取り付けられている。よって。操作アーム５は、マスタ側力センサ７を介して回転子４に取り付けられる。このとき、回転子４の中心は、操作アーム５から延在する軸線上に位置している。そして、操作者は、操作アーム５を操作することで回転子４を転動させることができる。

なお、このマスタ側力センサ７は、操作アーム５の軸方向と直交する第１の方向Ｘの力成分と、操作アーム５の軸方向と第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙの力成分と、操作アーム５の軸方向回りの力成分を検出している。すなわち、マスタ側力センサ７は、操作アーム５を介して回転子４に加わる力を検出している。

また、マスタ側力センサ７としては、電極間の静電容量の変化によって力を検出する静電容量型の力センサやや圧電素子の電歪効果を利用して電圧の変化によって力を検出する圧電型の力センサ等その他各種のセンサを適用することができる。

そして、回転子４は、台座２に支持される３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに転動可能に支持されている。

台座２は、略四角形をなす平板状に形成されている。この台座２は、４つの側面部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、４つの側面部２ａ〜２ｄに囲まれる略四角形状の主面部２ｅを有している。また、台座２には、４つの支持部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、３つのアーム部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、円環状の固定台１３が設けられている。

４つの支持部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、台座２の４つの側面部２ａ〜２ｄから上方に向けて立設している。第１の支持部１１ａは、第１の側面部２ａに配置されており、第２の支持部１１ｂは、第１の側面部２ａと対向する第２の側面部２ｂに配置されている。また、第３の支持部１１ｃは、第１の側面部２ａと第２の側面部２ｂに隣接する第３の側面部２ｃに配置されている。そして、第４の支持部１１ｄは、第３の側面部２ｃと対向する第４の側面部２ｄに配置されている。

この４つの支持部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの一端部は、それぞれ固定ねじ等の固定方法によって台座２の４つの側面部２ａ〜２ｄに固定されている。また、４つの支持部１１ａ〜１１ｄの他端部には、それぞれ軸部１８が設けられている。そして、４つの支持部１１ａ〜１１ｄの軸部１８には、後述する位置検出部６が取り付けられる。

なお、４つの支持部１１ａ〜１１ｄを台座２に固定ねじを用いて固定する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、４つの支持部１１ａ〜１１ｄの一端部を台座２の側面部２ａ〜２ｄに溶接によって固定してもよく、４つの支持部１１ａ〜１１ｄと台座２を削り出し等によって一体に形成してもよい。

固定台１３は、台座２の主面部２ｅに固定されている。この固定台１３の外周面には、３つのアーム部１２ａ，１２ｂ，１２ｃが略等角度間隔に配置されている。そして、この３つのアーム部１２ａ，１２ｂ，１２ｃには、３つの駆動力発生部３Ａ，３Ｂ，３Ｃが固定されている。

３つのアーム部１２ａ〜１２ｃのうち、第１のアーム部１２ａに第１の駆動力発生部３Ａが取り付けられ、第２のアーム部１２ｂに第２の駆動力発生部３Ｂが取り付けられ、更に第３のアーム部１２ｃに第３の駆動力発生部３Ｃが取り付けられている。これら３つのアーム部１２ａ〜１２ｃは、それぞれ同一の構成を有するものであるため、ここでは、第１のアーム部１２ａについて説明する。

第１のアーム部１２ａは、固定台１３に固定するための固定片１５と、第１の駆動力発生部３Ａが取り付けられる取付片１６と、固定片１５と取付片１６とを接続する接続片１７を有している。この固定片１５には、固定ネジを螺合するための不図示の固定孔が設けられている。そして、固定ねじを螺合することで、第１のアーム部１２ａは、台座２に設けた固定台１３に固定される。

なお、本例では、第１のアーム部１２ａを固定台１３に固定ねじによって固定する例を説明したが、第１のアーム部１２ａの固定方法は、これに限定されるものではない。例えば、第１のアーム部１２ａの固定片１５を溶接によって固定台１３に固定してもよい。また、第１のアーム部１２ａと固定台１３を一体に形成してもよい。

取付片１６は、略円板状に形成されており、この取付片１６に第１の駆動力発生部３Ａが取り付けられる。そして、固定片１５と取付片１６を接続する接続片１７は、例えば板ばねで形成されている。そのため、接続片１７には、弾性が付与されている。そして、この接続片１７の弾性力により、第１の駆動力発生部３Ａは、第１のアーム部１２ａに取り付けられた状態で回転子４側に付勢される。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して駆動力発生部３について説明するが、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃは、それぞれ同一の構成を有しているため、ここでは、第１の駆動力発生部３Ａについて説明する。図４Ａは、駆動力発生部を示す正面図であり、図４Ｂは駆動力発生部を示す断面図である。

この図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１の駆動力発生部３Ａは、第１のアーム部１２ａの取付片１６に固定される固定部２１、薄い皿状をなす支持体２２と、回転子４の表面に接触する接触片２３と、圧電素子２４を有している。

固定部２１は、第１のアーム部１２ａの取付片１６と略等しい直径を有する略円板状に形成されている。この固定部２１の外周には、支持体２２が連続して設けられている。支持体２２は、薄い皿状に形成されている。この支持体２２は、その外周に円環状の平坦部２２ａを有している。この支持体２２の平坦部２２ａには、円環状の接触片２３が配置されている。

接触片２３は、周方向に沿って一定間隔で複数の溝２３ｂが切られており、櫛歯状に形成されている。この溝２３ｂは、接触片２３の半径方向に延在している。また、接触片２３には、略球状をなす回転子４の表面に対応するように、回転子４の表面曲率と同一の曲率を有するアール面２３ａが設けられている。そして、支持体２２の平坦部２２ａにおける接触片２３が配置された面と反対側の面には、接触片２３を振動させる圧電素子２４が配置されている。

圧電素子２４は、超音波振動を発生させる振動素子である。圧電素子２４は、図示しないフレキシブル配線を介して不図示の圧電素子駆動ドライバと電気的に接続されている。そして、この圧電素子２４に圧電素子駆動ドライバから超音波領域の交流電圧が印加されると、圧電素子２４の電歪現象によって超音波振動が発生する。圧電素子２４によって発生した超音波振動は、支持体２２の平坦部２２ａを介して接触片２３に伝達される。これにより、複数の接触片２３が振動し、接触片２３の表面にたわみ振動や伸縮振動等の超音波振動が発生する。

ここで、接触片２３には、複数の溝２３ｂを形成している。これにより、接触片２３に生じる振動の振幅を大きくすることができる。また、接触片２３が摩耗することによって生じる粉を溝２３ｂに落とす効果も期待できる。

なお、本例では、圧電素子２４を接着剤により支持体２２の平坦部２２ａに貼り付けた例を説明したが、圧電素子２４の取り付け方法は、これに限定されるものではない。例えば、支持体２２の平坦部２２ａに圧電皮膜を直接生成したり、圧電材料を支持体の平坦部に直接塗布したりしてもよい。これらの方法によれば、圧電素子と支持体の接着面が劣化することを防止又は抑制することができる。

図５は、回転子４に対する３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃの位置関係を示す説明図である。
この図５に示すように、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃは、回転子４を中心に操作アーム５の軸方向Ｚ回りに１２０°の角度間隔で配置されている。更に、回転子４を操作アーム５の軸方向回りに回転させるために、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃは、回転子４の中心を通るＸＹ平面（水平面）より操作アーム５の反対側へ傾いた位置に配置されている。

図１及び図２に戻って、位置検出部６について説明する。
図１及び図２に示すように、位置検出部６は、第１の位置検出部６Ａと、第２の位置検出部６Ｂと、第３の位置検出部６Ｃとを有している。第１の位置検出部６Ａは、操作アーム５における第１の方向Ｘへの傾き、すなわち回転子４の第１の方向Ｘにおける回転位置を検出するものである。第２の位置検出部６Ｂは、操作アーム５における第２の方向Ｙへの傾き、すなわち回転子４の第２の方向Ｙにおける回転位置を検出する。

第１の位置検出部６Ａは、第１の位置検出バー２６と、第１の角度センサ２７とから構成されている。同様に、第２の位置検出部６Ｂは、第２の位置検出バー２８と、第２の角度センサ２９とから構成されている。

第１の位置検出バー２６と第２の位置検出バー２８は、略長方形をなす平板状に形成され、略円弧状に湾曲している。この第１の位置検出バー２６には、その長手方向に沿ってガイド孔２６ａが形成されている。そして、このガイド孔２６ａに操作アーム５が貫通する。また、第１の位置検出バー２６の長手方向の両端には、軸受孔２６ｂ，２６ｂが設けられている。同様に、第２の位置検出バー２８には、その長手方向に沿ってガイド孔２８ａが形成されており、長手方向の両端に軸受孔２８ｂ，２８ｂが設けられている。

そして、第１の位置検出バー２６は、回転子４を覆うようにして、第１の支持部１１ａと第２の支持部１１ｂに回動可能に支持されている。すなわち、第１の位置検出バー２６の両端に設けた軸受孔２６ｂ，２６ｂには、第１の支持部１１ａ及び第２の支持部１１ｂに設けた軸部１８が挿通される。また、この第１の位置検出バー２６の回動動作の中心線は、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに保持されている回転子４の中心を通っている。

第１の角度センサ２７は、第１の支持部１１ａの軸部１８と第１の位置検出バー２６の間に配置される。そして、この第１の角度センサ２７は、第１の位置検出バー２６の回転角度を検出する。

第２の位置検出バー２８は、回転子４を覆うようにして、回転子４と第１の位置検出バー２６の間に配置される。また、第２の位置検出バー２８は、第３の支持部１１ｃと第４の支持部１１ｄに回動可能に支持されている。すなわち、第２の位置検出バー２８の両端に設けた軸受孔２８ｂ，２８ｂには、第３の支持部１１ｃ及び第４の支持部１１ｄに設けた軸部１８が挿通される。また、この第２の位置検出バー２８の回動動作の中心線は、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに保持されている回転子４の中心を通っている。

また、第２の角度センサ２９は、第４の支持部１１ｄの軸部１８と第２の位置検出バー２８の間に配置される。そして、この第２の角度センサ２９は、第２の位置検出バー２８の回転角度を検出している。

ここで、第１の位置検出部６Ａと第２の位置検出部６Ｂを用いた操作アーム５の第１の方向Ｘへの傾き及び第２の方向Ｙへの傾きの検出方法について説明する。
例えば、操作者が操作アーム５を第１の方向Ｘへ傾けると、操作アーム５は、第２の位置検出バー２８のガイド孔２８ａに沿って移動する。このとき、操作アーム５と第１の位置検出バー２６のガイド孔２６ａが当接することにより、第１の位置検出バー２６は、操作アーム５と共に第１の方向Ｘへ回動する。

そして、第１の位置検出バー２６の回転角が第１の角度センサ２７によって検出される。これにより、操作アーム５の傾き、すなわち回転子４の回転位置が検出される。ここで上述したように、第１の位置検出バー２６の回動動作の中心線が、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに保持されている回転子４の中心を通っている。そのため、スムースに第１の位置検出バー２６を回動させることができると共に回転子４を転動させることができる。更に、回転子４の回転位置を正確に検出することが可能である。

なお、操作アーム５を第２の方向Ｙへ傾けた際には、第２の位置検出バー２８が第２の方向Ｙへ回動する。そして、第２の位置検出バー２８の回転角度を第２の角度センサ２９によって検出することによって、操作アーム５の第２の方向Ｙへの傾きが、検出される。

また、操作アーム５を動かす方向によっては、第１の位置検出バー２６及び第２の位置検出バー２８がそれぞれ回動する。この場合は、第１の位置検出バー２６の回転角度は、第１の角度センサ２７で検出され、第２の位置検出バー２８の回転角度は、第２の角度センサ２９で検出される。これにより、操作アーム５における第１の方向Ｘと第２の方向Ｙへの変位を同時に検出することができる。

次に、第３の位置検出部６Ｃは、操作アーム５の軸方向回り、すなわち回転子４が操作アーム５の軸方向を回転中心にして回転する際の回転角度を検出するものである。この第３の位置検出部６Ｃは、第３の角度センサ３１から構成されている。この第３の角度センサ３１は、操作アーム５に取り付けられており、操作アーム５の軸方向回りの回転角度を検出している。なお、この操作アーム５の軸方向が、スレーブ側ロボット１００の第３の方向Ｚに相当する。

図６は、本例のコントローラ１の概略構成を示すブロック図である
図６に示すように、制御部８は、位置検出部６と、マスタ側力センサ７と、不図示の圧電素子駆動ドライバを介して３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃと、スレーブ側ロボット１００と接続している。

制御部８には、位置検出部６を構成する３つの位置検出部６Ａ〜６Ｃで検出した操作アーム５の位置情報（回転子４の回転情報）、すなわちスレーブ側ロボット１００への操作指令ｑｍが入力される。更に、制御部８には、スレーブ側ロボット１００の位置情報ｑｓが入力される。そして、制御部８は、入力された操作指令ｑｍとスレーブ側ロボット１００の位置情報ｑｓとの相対変位に基づいてスレーブ側ロボット１００を操作する。

また、制御部８には、スレーブ側ロボット１００のスレーブ側力センサ１０４によって検出した作業アーム１０２に作用する力情報ｆｓと、マスタ側力センサ７によって検出した操作アーム５から回転子４に加わる力情報ｆｍが入力される。制御部８は、入力された２つの力情報に基づいて３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃを制御する制御信号を生成している。そして、生成した制御信号を、圧電素子駆動ドライバを介して３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに出力することで、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃを制御している。

これにより、操作者が操作アーム５を操作するときに、マスタ側力センサ７によって操作時に作用する力を検出し、制御部８は、これを０とするように３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃを駆動する。その結果、回転子４と３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃの接触片２３との摩擦力が大きい場合でも、操作者の手にかかる力を０にすることができ、操作性の向上を図ることができる。

また、スレーブ側ロボット１００に力が作用すると、制御部８にはスレーブ側力センサ１０４から力情報ｆｓが入力される。すると、制御部８は、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃを駆動させて、スレーブ側ロボット１００に作用した力に相当する力を回転子４に再生する。このとき、回転子４と接触片２３との摩擦力はマスタ側力センサ７で操作時に作用する力を検出して打ち消しているため、スレーブ側ロボット１００に作用する微細な力を操作者に対して正確に帰還させることができる。その結果、あたかも操作対象物と操作アームがベルトやチェーンで繋がっているような操作の臨場感の向上も図ることが可能である

２．コントローラを用いた操作例
次に、図１、図６、図７を参照して本例のコントローラ１を用いたスレーブ側ロボット１００の操作について説明する。

まず、操作者は、コントローラ１に設けた操作アーム５の把持部５ａを把持して、スレーブ側ロボット１００を動かしたい方向に傾けたり、回転させたりして操作する。この操作アーム５の動きに合わせて回転子４が転動する。ここで、略球状の等方性の回転子４を用いているため、どの方向に対しても同様に操作することがき、操作の際に異方性が無く快適に操作を行うことができる。

操作アーム５が第１の方向Ｘ及び／又は第２の方向Ｙに傾くと、操作アーム５に取り付けられている回転子４が第１の方向Ｘ及び／又は第２の方向Ｙに転動する。更に、操作アーム５が貫通している第１の位置検出バー２６及び／又は第２の位置検出バー２８が回動する。

そして、第１の角度センサ２７によって第１の位置検出バー２６の回転角度を検出し、第２の角度センサ２９によって第２の位置検出バー２８の回転角度を検出する。これにより、操作アーム５における第１の方向Ｘ及び／又は第２の方向Ｙへの傾き、すなわち回転子４の回転位置が検出される。ここで、第１の位置検出バー２６及び第２の位置検出バー２８の回動動作の中心線は、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに保持されている回転子４の中心を通っている。そのため、回転子４の回転位置を正確に検出することができる。

また、操作アーム５をその軸回りに回転させた場合、第３の位置検出部６Ｃの第３の角度センサ３１によって、操作アーム５の回転角度が検出される。

次に、図６に示すように、この位置検出部６によって検出された位置情報、すなわち操作指令ｑｍが制御部８に出力される。なお、制御部８には、スレーブ側ロボット１００の位置情報ｑｓも入力されている。そして、制御部８は、入力された操作指令ｑｍとスレーブ側ロボット１００の位置情報ｑｓとの相対変位に基づいてスレーブ側ロボット１００の３つの駆動部１０３，１０３，１０３への駆動信号を生成し、スレーブ側ロボット１００へ出力する。その結果、スレーブ側ロボット１００の３つの駆動部１０３は、入力された駆動信号に基づいて駆動し、スレーブ側ロボット１００のスレーブ側操作アーム１０１及び作業アーム１０２が移動及び／又は回転する。

操作アーム５の位置情報と操作対象物であるスレーブ側ロボット１００の位置情報が対称となるようにスレーブ側ロボット１００を操作した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、操作アーム５の傾き量に応じてスレーブ側ロボット１００の第１の方向Ｘ及び／又は第２の方向Ｙへの移動速度が変化するようにスレーブ側ロボット１００を制御してもよい。

操作者が操作アーム５を操作しているとき、操作アーム５に取り付けたマスタ側力センサ７は、操作アーム５から回転子４に作用する力（操作力）を検出している。ここで、スレーブ側ロボット１００に力が作用していない場合、操作アーム５を操作する際に必要な力は、回転子４と接触片２３との摩擦力に抗う力である。なお、マスタ側力センサ７は、回転子４の略中心に配置されているため、操作アーム５から回転子４に作用する力を正確に検出することができる。

そして、マスタ側力センサ７は、検出した力情報ｆｍを制御部８に出力する。制御部８は、入力された力情報ｆｍに基づいて３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃへの駆動信号を生成し、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに出力する。

次に、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃは、入力された駆動信号に基づいて駆動する。具体的には、まず、図示しない圧電素子駆動ドライバから圧電素子２４に電圧が印加されて、圧電素子２４の電歪現象により微小振動が発生する。そして、この発生した微小振動は、接触片２３に伝達されて、接触片２３が共振する。

ここで、接触片２３の表面には、たわみ振動や伸縮振動等の超音波振動が発生する。このとき、円環状に配置された接触片２３の列の特定の位置に振動の腹と節が生じる。そして、圧電素子２４に印加する電圧を調節することにより、接触片２３の列に生じた振動の腹と節の位置が、次々に移動する。その結果、接触片２３の列中を円周方向に進む進行波が発生する。

ここで、接触片２３には、複数の溝２３ｂを形成している。これにより、接触片２３に生じる振動の振幅を大きくすることができ、大きなトルクを出力することが可能である。更に、接触片２３に回転子４の曲率半径と同率の半径を有するアール面２３ａを設け、この接触片２３をアーム部１２ａ〜１２ｃの接続片１７に付与した弾性力によって回転子４に付勢している。これにより、回転子４の表面に接触片２３を確実に接触させることができ、接触片２３に生じた超音波振動を無駄なく回転子４に伝達させることができる。

図１に示すように、接触片２３は、回転子４の表面に接触している。そのため、接触片２３に生じた円周方向に進む進行波が摩擦力によって回転子４に伝達される。これにより、回転子４には、マスタ側力センサ７で検出した力を打ち消すようなトルクが発生する。その結果、スレーブ側ロボット１００に力が作用していない場合、操作者は、回転子４と接触片２３との摩擦力を感じることなく、操作アーム５をスムースに操作することができる。

図７は、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃの角速度ベクトルと回転子４の角速度ベクトルを示したものである。
各ベクトルの矢印の向きは、各駆動力発生部が発生させた駆動力による回動動作の回転軸の方向を表し、また各ベクトルの長さは、回動動作の角速度（回転トルク）の大きさを表している。

３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃがそれぞれ角速度ベクトルω_１〜ω_３で示される回転トルクを発生し、３つの角速度ベクトルω_１〜ω_３の合成ベクトルωの向きを回転軸とする回転トルクが回転子４に対し作用する。なお、合成ベクトルωは、同一の向きと大きさであっても、角速度ベクトルω_１〜ω_３の向きと大きさの違いによって複数の組み合わせが考えられる。

このように、摩擦駆動により回転子４を回動させているため、ブレーキ機構や減速機構を設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。そして、減速機構等を用いずに接触片２３の超音波振動を直接回転子４に伝えているため、制御部８からの駆動信号に対して迅速に回転子４にトルクを発生させることができ、応答性の向上を図ることができる。

また、操作時に操作アーム５や回転子４に作用する力、いわゆる操作力を検出するマスタ側力センサ７は、回転子４内に配置されている。このように、本例のコントローラ１は、回転子４の内部という従来無駄となっていたスペースを有効に用いることで、装置全体の小型化を図ることを可能としている。

更に、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃが駆動する際に、磁界が発生しないため、磁界の影響を受け難い。その結果、本例のコントローラ１は、ＭＲＩ（magnetic resonance imaging：核磁気共鳴画像法）等の強磁場環境下でも使用することが可能である。

また、スレーブ側ロボット１００に力が作用すると、スレーブ側力センサ１０４は、その力を検出し、コントローラ１の制御部８に力情報ｆｓとして出力する。制御部８は、スレーブ側力センサ１０４から入力された力情報ｆｓとマスタ側力センサ７から入力された力情報ｆｍに基づいて、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃを駆動させる駆動信号生成する。そして、制御部８は、生成した駆動信号を３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃに入力して、３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃを駆動させる。

３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃの駆動力発生方法は、上述したものと同一であるため、省略する。そして、この３つの駆動力発生部３Ａ〜３Ｃからの駆動力によって回転子４にトルクが発生する。これにより、操作者には、操作アーム５を介してスレーブ側ロボット１００に作用した力が伝達される。

ここで、回転子４と接触片２３との摩擦力は、打ち消されているため、スレーブ側ロボット１００に作用した微細な力をより正確に操作者に伝えることができる。その結果、あたかも操作対象物と操作アームがベルトやチェーンで繋がっているような操作の臨場感及び没入感を高めることができる。

更に、上述したように応答性に優れているため、スレーブ側ロボット１００に作用した微細な力を操作者に高速に伝達することができる。本例のコントローラ１であれば、０．１ｇｆという微細な力を１ｍｓ以内に操作者に伝達することが可能である。すなわち、力分解能が０．１ｇｆであり、応答時間を１ｍｓ以内に設定することができる。

上述したような構成を有する本発明のコントローラは、細胞生物学、微細加工やマイクロサージャリー等に用いられるマイクロマニピュレータや、ゲーム機に適用できるものである。また、マイクロマニピュレータやゲーム機以外にもその他各種の装置のコントローラとして用いてもよい。

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、回転子内にマスタ側力センサと共にＬＥＤ等の発光部を配置し、この発光部を回転子や操作対象物に作用する力に応じて光の強度や色を変化させるようにしてもよい。これにより、発光部の光の変化によって、操作対象物の状態を操作者に視覚に訴えることができる。操作対象物の状態としては、操作対象物に作用している力の種類や、操作対象物がオーバーロードしているか等である。

更に、上述した実施の形態例では、３自由度の操作に用いた例を説明したが、これに限定されるものではなく、操作アームの軸方向回りの回転動作を除いた２自由度で操作してもよい。なお、２自由度の操作の場合、操作アームの軸方向回りの駆動力が必要となくなるため、３つの駆動力発生部を回転子の中心を通る水平面上に配置してもよい。

１…コントローラ、２…台座、３Ａ…第１の駆動力発生部、３Ｂ…第２の駆動力発生部、３Ｃ…第３の駆動力発生部、４…回転子、４ａ…凹部、５…操作アーム、５ａ…把持部、６…位置検出部、６ａ…第１の位置検出部、６ｂ…第２の位置検出部、６ｃ…第３の位置検出部、７…マスタ側力センサ、８…制御部、１１ａ…第１の支持部、１１ｂ…第２の支持部、１１ｃ…第３の支持部、１１ｄ…第４の支持部、１２ａ…第１のアーム部、１２ｂ…第２のアーム部、１２ｃ…第３のアーム部、１７…接続片、２３…接触片、２６…第１の位置検出バー、２７…第１の角度センサ、２８…第２の位置検出バー、２９…第２の角度センサ、３１…第３の角度センサ、１００…スレーブ側ロボット、ｆｍ，ｆｓ…力情報、ｑｍ…操作指令、ｑｓ…位置情報

Claims

操作対象物を少なくとも２自由度で操作するコントローラであって、
略球状の回転子と、
前記回転子を転動可能に支持すると共に、超音波振動を発生させて前記回転子を転動させる複数の駆動力発生部と、
前記回転子に取り付けられ、前記回転子を転動させる操作アームと、
前記操作アームの位置情報を検出する位置検出部と、
前記操作アームに取り付けられ前記操作アームから前記回転子に加えられる力を検出するマスタ側力センサと、
前記操作対象物に作用する外力と前記マスタ側力センサによって検出した前記操作アームの力情報に基づいて前記複数の駆動力発生部を制御する制御部と、を備え、
前記マスタ側力センサは、前記回転子の略中心に配置される
ことを特徴とするコントローラ。
操作対象物を少なくとも２自由度で操作するコントローラであって、
略球状の回転子と、
前記回転子を転動可能に支持すると共に、超音波振動を発生させて前記回転子を転動させる複数の駆動力発生部と、
前記回転子に取り付けられ、前記回転子を転動させる操作アームと、
前記操作アームの位置情報を検出する位置検出部と、
前記操作アームに取り付けられ前記操作アームから前記回転子に加えられる力を検出するマスタ側力センサと、
前記操作対象物に作用する外力と前記マスタ側力センサによって検出した前記操作アームの力情報に基づいて前記複数の駆動力発生部を制御する制御部と、を備え、
前記回転子には、前記回転子の略中心にまで達する略円柱状の凹部が形成されており、
前記マスタ側力センサは、前記回転子に形成した前記凹部に配置される
ことを特徴とするコントローラ。
操作対象物を少なくとも２自由度で操作するコントローラであって、
略球状の回転子と、
前記回転子を転動可能に支持すると共に、超音波振動を発生させて前記回転子を転動させる複数の駆動力発生部と、
前記回転子に取り付けられ、前記回転子を転動させる操作アームと、
前記操作アームの位置情報を検出する位置検出部と、
前記操作アームに取り付けられ前記操作アームから前記回転子に加えられる力を検出するマスタ側力センサと、
前記操作対象物に作用する外力と前記マスタ側力センサによって検出した前記操作アームの力情報に基づいて前記複数の駆動力発生部を制御する制御部と、を備え、
前記位置検出部は、
前記操作アームにおける第１の方向回りの傾きを検出する第１の位置検出部と、
前記操作アームにおける前記第１の方向と直交する第２の方向回りの傾きを検出する第２の位置検出部と、
前記操作アームの軸方向回りの回転を検出する第３の位置検出部と、を有している
ことを特徴とするコントローラ。